Im Vergleich zu Anlagen der Industrie-Automation sind mobile Maschinen eher einfach aufgebaut. Daher reichen oft einfache Steuerungen, wie die ecomatmobile-Basic von ifm aus. Module enthalten die eigentliche Steuerung, Relais und Bedienung.

Im Bereich der Fabrik- und Prozess- Automation ist in den letzten Jahren eine gewisse Marktsättigung eingetreten. In den mobilen Maschinen hingegen steckt noch deutlich mehr Potenzial für neue Anwendungen.

Gerade in den beiden größten Marktsegmenten - Baubranche und Landwirtschaft - wachsen der Druck zur Rationalisierung immens und damit der Wunsch nach weiterer Automatisierung. Die Innovationsrate in diesem Marktsegment ist dadurch vergleichsweise hoch.

Am einfachsten wäre, die Produkte aus der Fabrikautomation in mobile Maschinen einzubauen. Aber das funktioniert meist nicht: Zu deutlich unterscheiden sich die Wünsche an Konzepte und Hardware. Hinzu kommt, dass die Anforderungen nicht stabil bleiben, sondern seit Jahren immer weiter steigen. Das liegt einerseits an den besonderen Umgebungsbedingungen der Fahrzeuge und andererseits an der starken Verzahnung mit der Automobilindustrie. 

Raues Arbeitsklima

Typische Temperaturen, die eine Automatisierungskomponente in der Fabrik aushalten muss, liegen zwischen 0 und +50 °C. Land- und Baumaschinen nutzen die Besitzer dagegen auch im Freien - zu jeder Jahreszeit. Das bedeutet, die eingesetzten Komponenten müssen in der Regel einen Arbeitstemperaturbereich von -40 bis +85 °C aufweisen.

Staub, Feuchtigkeit und grober Schmutz machen den Sensoren, Steuergeräten und Verbindungen das Leben ungleich schwerer als in der vergleichsweise sterilen Schaltschrankumgebung der Fabrik. Hohe Schutzarten ab IP65 sind deshalb nicht die Ausnahme, sondern hier ein Muss.

Extreme Belastungen in hoher Varianz

Im mobilen High-End-Bereich ist beispielsweise eine Kombination aus 2D- und 3D-Kamera im Einsatz. Zur Übertragung großer Datenmengen reicht der CAN-Bus nicht aus – Ethernet löst dieses Problem.

Eine weitere Herausforderung in mobilen Systemen sind extreme mechanische Belastungen durch Stöße, Schocks und Vibrationen. Zwar treten Vibrationen auch in industriellen Anwendungen auf - beispielsweise an Pressen oder Stanzen; während hier jedoch die Frequenz der Belastungen relativ konstant bleibt, treten bei der mobilen Automation unterschiedlichste und kombinierte Variationen der Belastungen auf. Direkt am Motor oder auch an der Karosserie verbaut, trotzen Komponenten harten Schlägen und Dauerbelastungen variabler Frequenz. Diese reichen von wenigen Hertz bis in den Kilohertzbereich.

Auch die schwer einschätzbare Belastung durch elektromagnetische Strahlung in variablen Umgebungen beeinflusst die geltenden Standards, die sich eher an der Automobilindustrie als an den EMV-Normen der Fabrikautomation orientieren.

Für das Automatisierungssystem gilt hier, starken, eingestrahlten und leitungsgebundenen Störungen zu widerstehen. Die Anforderungen an die EMV gehen weit über die Vorgaben der Normenreihe EN 61000 hinaus. In der Regel wird die im Automotive-Bereich gebräuchliche e1-Typgenehmigung gemäß EU-Richtlinie 95/54/EC auf Komponenten für die mobile Automation angewandt. Eine weitere Besonderheit mobiler Systeme ist die Spannungsversorgung durch Akkus oder Generatoren. Das elektrische Bordnetz in einem Fahrzeug liefert die Spannungen nicht so stabil wie ein Netzgerät. Komponenten müssen die Schwankungen verkraften und sind deshalb häufig auf einen relativ weiten Spannungsbereich ausgelegt.

Gemeinsame Protokolle - unterschiedliche Auslegung

Die Kombination von 3D-Abstandsinformation und 2D-Bild ermöglicht es, Objekte zu erkennen und Kollisionskontrollen durchzuführen. Auch hier sind die hohen Anforderungen durch raue Umgebungsbedingungen zu erfüllen, die beim Einsatz mobiler Maschinen generell gelten.

Sensoren, Aktoren und Steuerungen sowie Bedien- und Visualisierungskomponenten kommunizieren bei mobilen Maschinen ebenso wie in der Fabrikautomation über Bussysteme. Im Gegensatz zur Fabrikautomation, wo Profibus, Interbus und Industrial-Ethernet die am häufigsten eingesetzten Bussysteme sind, wird in der mobilen Automation wegen der Nähe zur Automobilindustrie häufig der CAN-Bus (Controller Area Network) verwendet.

Der CAN-Bus wurde in den 1980er Jahren für die Vernetzung von Steuergeräten im Auto entwickelt und ist seit den 90ern auch in der Fabrik-Automation häufiger anzutreffen. Im PKW-Bau kommen mittlerweile dank der hohen Stückzahlen und unterschiedlichen Anforderungen spezielle, genau abgestimmte Protokolle zum Einsatz. Anders ist das bei mobilen Arbeitsmaschinen: Hier hat sich das CANopen-Protokoll als Quasi-Standard etabliert.

Da die Basisfahrzeuge oft bereits CAN nutzen, ist es von Vorteil, auch die Applikation über CAN zu steuern, um Busübergänge zu vermeiden. Neben dem CAN-Bus gibt es hersteller- und branchenspezifische Protokolle: etwa die Motordiagnose nach SAE J1939, der von der Landwirtschaft genutzte ISO-Bus oder die Truck-Trailer- Schnittstelle bei Lkws. Diese lassen sich über Gateways an die Maschinenprozesse ankoppeln.

Ein Manko des zuverlässigen CAN-Busses ist seine geringe Datenrate. Selbst im so genannten Highspeed-Modus lassen sich maximal 1 Mbit/s übertragen. Anwendungen mit hohem Datenaufkommen nutzen deshalb andere Alternativen. Im Pkw bei Infotainment-Anwendungen setzen die Hersteller meist auf proprietäre Lösungen, das ist bei der mobilen Automation aufgrund geringerer Stückzahlen meist nicht der Fall.

Soll beispielsweise das Bild einer Rückfahrkamera an ein Display im Fahrerhaus übertragen werden, kommt oft der Ethernet-Standard zum Einsatz. Damit lassen sich auch große Datenmengen bis zu 10 Gbit/s übertragen. Voraussetzung für den Einsatz von Ethernet in mobilen Maschinen ist die Verfügbarkeit von Ethernet-Komponenten, die den erhöhten Anforderungen mobiler Systeme genügen.

Weniger Komplexität gefragt

Mobile Maschinen sind häufig weniger komplex als industrielle Anwendungen, bei denen große Produktionsanlagen mit hunderten von Sensoren, Antrieben und Aktoren zu steuern sind. Die Rechenleistung und Anzahl der Schnittstellen, die eine mobile Steuerung benötigt, ist deshalb oft geringer als in der Fabrikautomation.

Typische Anwendungen der einfachen Steuerungen sind kleine mobile Maschinen, beispielsweise im Baubereich, bei denen aufgrund der hohen Kosten eine Automatisierung bisher nicht in Frage kam. Sie sind daher oft ein möglicher Ersatz für Schalter, Relaissteuerungen und einfache Anzeigeinstrumente. Für solche Anwendungen genügen größtenteils Steuerungen mit einem günstigen Prozessor, ausreichender Rechenleistung, ein paar I-/Os und einer CAN-Bus-Schnittstelle.

Einige Hersteller zollen diesem Umstand einfache und kostenoptimierte Steuerungssysteme - wie etwa die Firma ifm electronic. In der klassischen Automation ist ifm eher als Sensorhersteller bekannt. Im mobilen Bereich bietet das Unternehmen zusätzlich Steuerungen an: für einfache Applikationen bis hin zur High-End-Lösung. An deren unterem Ende rangiert das Steuerungssystem ecomatmobile Basic. Modular aufgebaut, besteht es aus einem Steuerungsmodul, einem Relaisträger und einer Bedienungseinheit. Das Steuerungsmodul verfügt über zwölf konfigurierbare Ein- und acht konfigurierbare Ausgänge sowie zwei CAN-Bus-Schnittstellen.

Das Relais- und Sicherungsmodul bietet Platz für bis zu zehn Kfz-Stecksicherungen und für einfache ISO- und Logik-Relais. Bedienen lässt sich die Steuerung über ein 2,8-Zoll-Display, fünf Funktionstasten und eine Kreuzwippe mit Cursorfunktion. Die Bedienoberfläche, Tastenfunktionen und die Steuerung selbst sind mit Codesys nach IEC 61131-3 programmierbar.

Autor: Dr. Jörg Lantzsch ist freier Fachjournalist in Wiesbaden